直流伺服电机教学内容
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15
例：
设外加电枢电压 U 一定，Te=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL
n
E
T e
Ia
最后达到新的平衡点。
UEIaRa
Te CtΦIa
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
16
1.2.1 控制方式
Baidu Nhomakorabea
UaEaIaRa
根据直流电动机转速公式:
n
Ua IaRa
CeΦ
Ce CeCt2
n0kT e
n0
Ua C e
,为理想空载转速；k
Ra
CeCt 2
,为直线的斜率。
23
1.2.2 运行特性
nUa TeRa
Ce CeCt2
n0kT e
由转矩公式可知：
(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
14
2、转矩平衡关系
电磁转矩Te为驱动转矩，在电机运行时，必须和外
加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
Te TLT0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁 转矩自动调整，以实现新的平衡。
UE IaRa 10
三.电枢电动势及电压平衡关系
1、电枢中的感应电动势 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线
圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
11
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
根据右手定则知，E 和原通入的电流方向相反，其
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，
使线圈逆时针旋转。
8
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
9
直流发电机
用右手定则判 感应电动势Ea的方向
+ Ia U
–
感应电动势
E Cen
E
N
E
电枢绕组
电阻Ra
S
输出电压
18
三种调速方法的性能与比较：
1.改变电阻Ra只能有级调速；
2.减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大，
可在基速以上作小范围的弱磁升速。 3.调节电压Ua调速能在较大的范围内无级平滑调
速。
19
直流伺服电动机的控制方式： 把控制信号作为电枢电压Ua来控制电动机的转
速，叫电枢控制。
把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通
ECen
式中： n — 转速（r/min）；
Ua — 电枢电压（V）； Ia — 电枢电流（A）； Ra — 电枢回路总电阻（）； — 励磁磁通（Wb）；
Ce— 由电机结构决定的电动势常数。
C epN /6 ( a 0)
17
调节电动机转速的三种方法：
调节电枢供电电压 Ua 改变电枢回路电阻 Ra 减弱励磁磁通
改变E，只能改变 或 n。 ECen
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 UECeΦn，
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
13
四. 电磁转矩 1、电磁转矩
Te CtΦIa
Ct：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流 单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
3
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
4
旋转方向
线圈中电流流动方向 换相器
直流伺服电机
1.1概述
3. 控制系统对伺服电动机的基本要求
宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性 无“自转”现象 快速响应。 此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积 小等。
2
1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性
一、直流伺服电动机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
机座
Te=TL+ T0
Te CtΦIa
UEIaRa 22
1.2.2 运行特性
伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。
1. 机械特性
机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁
转矩之间的函数关系，即 Uac, nf(Te) 。
把 Te CtIa 代入式 n Ua IaRa 得
Ce
nUa TeRa
大小为：
E Cen
Ce：与电机结构有关的常数
：磁通
n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
12
2. 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
+
Ia
U
ME
–
–
以上两公式反映的概念：
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想
线圈 磁极
5
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。
并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。
串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf M U U
21
2．磁场控制
n
Ua IaRa
CeΦ
电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若
电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流
增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。
改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。
尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的 目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着 励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性 的，故少用。
来控制电动机的转速，叫磁场控制。
20
1.2.1 控制方式
1. 电枢控制 励磁磁通保持不变，改变电枢
绕组的控制电压。当电动机的负 载转矩不变时，升高电枢电压， 电机的转速就升高；反之转速就 降低。电枢电压等于零时，电机 不转。电枢电压改变极性时，电 机反转。
n
Ua IaRa
CeΦ
图1-1 电枢控制原理图
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
6
二、 工作原理
电刷
+ U
N I
I
–
S
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
7
电刷
+ U
F N
I
F I
–
S
换向片
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。
例：
设外加电枢电压 U 一定，Te=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL
n
E
T e
Ia
最后达到新的平衡点。
UEIaRa
Te CtΦIa
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
16
1.2.1 控制方式
Baidu Nhomakorabea
UaEaIaRa
根据直流电动机转速公式:
n
Ua IaRa
CeΦ
Ce CeCt2
n0kT e
n0
Ua C e
,为理想空载转速；k
Ra
CeCt 2
,为直线的斜率。
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1.2.2 运行特性
nUa TeRa
Ce CeCt2
n0kT e
由转矩公式可知：
(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
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2、转矩平衡关系
电磁转矩Te为驱动转矩，在电机运行时，必须和外
加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
Te TLT0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁 转矩自动调整，以实现新的平衡。
UE IaRa 10
三.电枢电动势及电压平衡关系
1、电枢中的感应电动势 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线
圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
11
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
根据右手定则知，E 和原通入的电流方向相反，其
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，
使线圈逆时针旋转。
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电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
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直流发电机
用右手定则判 感应电动势Ea的方向
+ Ia U
–
感应电动势
E Cen
E
N
E
电枢绕组
电阻Ra
S
输出电压
18
三种调速方法的性能与比较：
1.改变电阻Ra只能有级调速；
2.减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大，
可在基速以上作小范围的弱磁升速。 3.调节电压Ua调速能在较大的范围内无级平滑调
速。
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直流伺服电动机的控制方式： 把控制信号作为电枢电压Ua来控制电动机的转
速，叫电枢控制。
把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通
ECen
式中： n — 转速（r/min）；
Ua — 电枢电压（V）； Ia — 电枢电流（A）； Ra — 电枢回路总电阻（）； — 励磁磁通（Wb）；
Ce— 由电机结构决定的电动势常数。
C epN /6 ( a 0)
17
调节电动机转速的三种方法：
调节电枢供电电压 Ua 改变电枢回路电阻 Ra 减弱励磁磁通
改变E，只能改变 或 n。 ECen
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 UECeΦn，
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
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四. 电磁转矩 1、电磁转矩
Te CtΦIa
Ct：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流 单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
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1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
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旋转方向
线圈中电流流动方向 换相器
直流伺服电机
1.1概述
3. 控制系统对伺服电动机的基本要求
宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性 无“自转”现象 快速响应。 此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积 小等。
2
1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性
一、直流伺服电动机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
机座
Te=TL+ T0
Te CtΦIa
UEIaRa 22
1.2.2 运行特性
伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。
1. 机械特性
机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁
转矩之间的函数关系，即 Uac, nf(Te) 。
把 Te CtIa 代入式 n Ua IaRa 得
Ce
nUa TeRa
大小为：
E Cen
Ce：与电机结构有关的常数
：磁通
n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
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2. 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
+
Ia
U
ME
–
–
以上两公式反映的概念：
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想
线圈 磁极
5
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。
并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。
串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf M U U
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2．磁场控制
n
Ua IaRa
CeΦ
电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若
电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流
增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。
改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。
尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的 目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着 励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性 的，故少用。
来控制电动机的转速，叫磁场控制。
20
1.2.1 控制方式
1. 电枢控制 励磁磁通保持不变，改变电枢
绕组的控制电压。当电动机的负 载转矩不变时，升高电枢电压， 电机的转速就升高；反之转速就 降低。电枢电压等于零时，电机 不转。电枢电压改变极性时，电 机反转。
n
Ua IaRa
CeΦ
图1-1 电枢控制原理图
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
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二、 工作原理
电刷
+ U
N I
I
–
S
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
7
电刷
+ U
F N
I
F I
–
S
换向片
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。